[논문 리뷰] Fluid-structure interaction modelling and stabilisation of a patient-specific arteriovenous access fistula

W. P. Guess, B.D. Reddy외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 25.

Central Venous Catheters and Hemodialysis참고 문헌 35인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 단층 자기공명영상 데이터를 이용해 환자별 유체-구조 상호작용(FSI) 모델을 개발하였으며, ANSYS Workbench에서 유한체적법과 유한요소법을 반음성 스타일의 분리 결합 기법으로 조합하였다. 모델은 색채도 역류 및 혈관벽 전단응력 패턴을 정확히 포착하여 색채도 고갈의 주요 원인을 규명하였으며, 추가 질량 효과를 보완하고 계산 효율을 향상시키기 위해 안정화 기법을 적용하였다.

ABSTRACT

A patient-specific fluid-structure interaction (FSI) model of a phase-contrast magnetic resonance angiography (PC-MRA) imaged arteriovenous fistula is presented. The numerical model is developed and simulated using a commercial multiphysics simulation package where a semi-implicit FSI coupling scheme combines a finite volume method blood flow model and a finite element method vessel wall model. A pulsatile mass-flow boundary condition is prescribed at the artery inlet of the model, and a three-element Windkessel model at the artery and vein outlets. The FSI model is freely available for analysis and extension. This work shows the effectiveness of combining a number of stabilisation techniques to simultaneously overcome the added-mass effect and optimise the efficiency of the overall model. The PC-MRA data, fluid model, and FSI model results show almost identical flow features in the fistula; this applies in particular to a flow recirculation region in the vein that could potentially lead to fistula failure.

연구 동기 및 목표

• 임상적 MRI 데이터를 이용해 환자별 유체-구조 상호작용(FSI) 모델을 개발한다.
• 특히 추가 질량 효과로 인한 수치적 불안정성 문제를 해결하기 위해 체계적인 안정화 기법을 적용한다.
• FSI 모델을 단층 자기공명영상(Phase-Contrast MRA) 혈역학 데이터와 유체 전용 모델과 비교하여 검증한다.
• 혈관 접근에서의 예비응력이 속도 및 혈관벽 전단응력(WSS) 예측에 미치는 영향을 평가한다.
• 향후 색채도 성숙 및 고갈 메커니즘 연구를 위한 자유로운 접근이 가능한 검증된 FSI 모델을 제공한다.

제안 방법

• ANSYS Workbench 내에서 반음성 스타일의 분리 FSI 결합 알고리즘을 구현하였으며, ANSYS Fluent(혈액 유동에 대한 유한체적법)과 ANSYS Mechanical(혈관벽에 대한 유한요소법)을 통합하였다.
• 동맥 입구에 펄스형 질량유량 경계 조건을 적용하였고, 동맥 및靜맥 출구에 3요소 윈드켈 모델을 사용하여 하류 혈역학을 시뮬레이션하였다.
• 주변 조직의 기계적 지지 기능을 모의하기 위해 스프링 강성 기반의 로빈 경계 조건을 적용하여 모델 복잡성을 줄였지만 과도한 제약을 가하지 않았다.
• 혈관벽은 공간적으로 변화하는 두께를 가지며, 비압축성 등방성 초탄성 재료로 모델링하였으며, 계산 효율성과 정확도 향상을 위해 개선된 가정 변형 요소를 사용하였다.
• 과도한 변형을 방지하고 속도 및 WSS 예측 정확도를 향상시키기 위해 고체 영역에 예비응력 절차를 적용하였다.
• 해결 과정의 안정성 향상과 계산 비용 절감을 위해 유동 해석기 내에 경계 이행 램프 기법과 FSI 경계 안정화 기법을 통합하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단층 자기공명영상 데이터와 다물리카 시뮬레이션 소프트웨어를 이용해 환자별 FSI 모델을 어떻게 정확히 구축할 수 있는가?
• RQ2 혈관 접근에서 펄스형 혈액 유동의 FSI 시뮬레이션에서 추가 질량 효과를 완화하는 데 가장 효과적인 안정화 기법은 무엇인가?
• RQ3 혈관벽 모델에 예비응력을 적용할 경우, FSI 시뮬레이션에서 예측된 속도 및 혈관벽 전단응력 분포의 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 FSI 모델과 유체 전용 모델은 PC-MRA 데이터에서 관찰된 혈역학적 특성—특히 색채도 역류—를 어느 정도 동일하게 재현하는가?
• RQ5 예를 들어 스프링 강성 기반의 로빈형 경계 조건을 사용하여 주변 조직의 지지 기능을 효과적으로 모의할 수 있는가? 이는 계산 비용을 줄이는 데 기여하는가?

주요 결과

• FSI 모델은 PC-MRA 데이터에서 관찰된 주요 혈역학적 특성을 성공적으로 재현하였으며, 특히 신생내막증식과 색채도 고갈의 원인이 될 수 있는 정맥 내 역류 영역을 포착하였다.
• FSI 모델에 예비응력 적용은 과도한 벽 변형을 방지하고 속도 및 혈관벽 전단응력(WSS) 분포의 정확한 예측을 보장하는 데 필수적이었다.
• 유동 해석기 내에서 경계 이행 램프 기법과 FSI 경계 안정화 기법을 조합함으로써 수치적 불안정성이 효과적으로 완화되었으며, 계산 비용을 크게 증가시키지 않으면서 수렴 성능이 향상되었다.
• 혈관벽에 스프링 강성 기반의 로빈 경계 조건을 적용함으로써 주변 조직의 지지 기능을 효과적으로 근사화하였으며, 모델 크기와 계산 비용을 줄이면서도 정확도를 유지하였다.
• 모델 가정의 차이에도 불구하고 FSI 모델과 유체 전용 모델 모두 유사한 유동 특성—특히 역류 영역—을 예측하여, 적절히 안정화된 경우 혈역학 예측의 강건성을 입증하였다.
• 검증된 FSI 모델은 Zenodo를 통해 무료로 제공되며, 향후 혈관 접근의 성숙 및 고갈 메커니즘 연구, 치료 계획 수립에 기초 자료로 활용될 수 있다.